[发明专利]具备有效中子增殖因数控制的加速器驱动核系统

说明书

技术领域

本发明涉及加速器驱动系统(ADS)。

背景技术

近年来，全球对加速器驱动次临界反应堆的关注度大幅提高，例如反式铀(Trans Uranic)(TRU)燃烧器以及基于钍的增殖反应堆，如WO95/12203中公开的能量放大器(EA)。

在次临界系统中，中子增殖小于1，尤其是采用由外部质子加速器生成的额外中子来确保增殖反应链的操作。次临界度特别有利地出现在某些应用中，这些应用包括贡献出比普通压水堆(PWR)中的中子小很多的有效缓发中子、小的或者不良的多普勒温度系数以及可能还有取决于冷却剂状况的正空穴系数。次临界操作特别有利于基于U-238的快中子增殖反应堆或基于Th-232的热或快中子增殖反应堆的情况，这是由于据此需要两个而不是一个中子来中止该增殖过程，一个用于生成裂变材料而第二个用于裂变生成下一代元素，其中由于裂变仅仅稍微少于中子增殖。

公知的是，在次临界系统中，中子增殖因数k是堆芯的给定中子可能继续链式反应的平均概率。因此，始于由各个注入的外部加速器驱动中子级联所产生的次级中子的最终总的平均数可由下述等式给出：

k+k²+k³+…＝k/(1-k)＝-1/ρ，式中：ρ称之为剩余反应性。在次临界系统中，我们可得出ρ＜0。

两个分量有助于次临界系统中的中子增殖，即归因于瞬发裂变中子的瞬时份额(contribution)k_p和归因于缓发中子的份额k_d，该缓发中子由裂变碎片的极小部分(fraction)β_eff生成，裂变碎片在初始裂变发生后的几秒后产生中子，其中k＝k_p+k_d。在它们的缓发时间中，这些中子并不呈现为自由中子：它们被“预存储”在核子中(例如Kr-87)，并在这一短短的时间段内，它们不会遭受任何可感知的慢化或吸收。这些中子的存储的现象提升了有效响应时间。

表1示出了来自U-233，U-235和Pu-239裂变锕族元素的缓发中子放射裂变碎片的6个放射族。对于快(未慢化)中子(β_fast)和热中子(β_ther)，都给出了放射族的中子放射的指数寿命和分数裂变率。对于各个初始锕族元素状态来说，它们都大不相同。

表1不同裂变核的缓发中子的指数族

如表1所示，在可裂变元素U-233，Pu-239和U-235的情况下，缓发中子的特性曲线族的周期的范围从大约1秒至大约1分钟，这取决于裂变锕族元素的成分。当然，与源无关，束驱动的外部中子和缓发中子两者都经历后续的中子增殖。

反应性的各种单位都是常用的，其中包括“元(dollar)”($)。“元(dollar)”($)被定义为中子增殖因数k的偏差Δk，它正好等于缓发中子的份额，即，Δk＝β_eff，其中“分(cent)”为元(dollar)的百分之一。对于U-233，真实的数值为1$＝2.1×10^-3，对于Pu-239为1$＝2.9×10^-3以及对于U-235为1$＝7.3×10^-3。

可以看出，各种同位素都为任意实际燃料混合物贡献出不同数量的缓发中子。因此，有助于为反应堆系统定义β_eff的数值：

βeff=Σi=1nPeff(i)×βeff(i)]]>

式中：P_eff(i)是对反应堆中出现的n个同位素的混合物中同位素(i)的总裂变的部分份额。应当注意，P_eff(i)会因为反应堆的操作和放射衰变而随着时间变化；